基于IEEE 11073协议的无线心电监护系统的设计和实现

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随着通信技术、传感器技术及数据处理技术的发展,移动健康和数字医疗的新型服务形式正大量涌现,大大提高了医疗服务的效率和质量。心脏病是威胁人类生命与健康的最大疾病之一,对患者心电信号的实时监测对于疾病的预防与治疗具有重要意义,因此本文设计实现了一种无线心电系统,可随时随地采集用户的动态心电图,上传至服务器,进行实时的远程监护与诊断。  系统由便携式移动心电终端、智能手机平台、中心服务平台三部分组成,本文设计与实现了心电采集设备的硬件和软件、手机平台上的蓝牙通信模块与IEEE11073协议转换模块、服务器平台上的IEEE11073协议管理者模块。  便携式心电设备的功能包括信号的采集、发送与存储。该设备以ARM内核的STM32处理器为核心,基于ADS1298模拟芯片对12导联心电信号进行连续采集,通过蓝牙模块实现心电数据的无线传输。本文通过对系统硬件框架的设计保证了设备小型、低功耗、扩展性强的特点;通过滤波电路、限幅电路、右腿驱动电路的设计,保证了心电信号的采集准确性;通过TF卡存储电路、锂电池充电电路等设计,增强了系统的实用性。  心电设备的软件设计基于μC/OS-Ⅱ实时嵌入式操作系统,通过蓝牙的方式进行数据的无线传输。本文在心电采集与分发任务的设计流程中,采用了中断和任务阻塞相结合的方法,既实现了数据处理、发送、存储等多并发任务的有效执行,又保证了信号采集与处理的实时性。在心电设备与智能手机的交互过程中,通过对协议状态机、心电帧结构的设计,保证了动态心电数据的可靠传输,同时实现了手机对设备的智能控制、参数设置等功能。另外,还在嵌入式软件中实现了已有的心电信号特征点提取算法,并使用QRS、ST段信号信息实现了心电信号的异常报警机制。  现在个人健康设备的种类及生产者日益增多,众多设备之间的健康数据共享变得愈加重要,IEEE11073 PHD协议就是为了增强健康设备之间互操作性而定义的标准规范。该协议规范的定义已经十分成熟,但具体的软件实现和系统支持仍然数量不足。本文对IEEE11073 PHD协议进行了介绍与分析,在Android智能手机平台和远程服务器上对该协议进行了软件设计,并实现了基于该协议的实时心电数据传输。  进行了综合测试,结果显示心电信号采集功能良好,蓝牙控制和心电数据发送功能稳定,基于IEEE11073协议的心电数据传输工作正常,功能符合设计要求。测试了系统对ST段异常心电信号的检测性能,测试数据显示,对于变化较大的ST段异常心电信号,检测性能优异。
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